CN116908423A - 一种再生混凝土内部相对湿度分布的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种再生混凝土内部相对湿度分布的预测方法，属于混凝土技术领域，包括确定再生骨料和再生混凝土的基本性能参数、计算再生混凝土等效水灰比、再生混凝土内水化反应计算、再生混凝土内湿度扩散计算、再生骨料释放水计算、相对湿度修正等步骤。从再生骨料对混凝土内湿度的影响机理出发建立了再生混凝土内部相对湿度分布的预测方法，模型中考虑了再生骨料对再生混凝土等效水灰比的影响，同时考虑了再生骨料的“孔隙联通”效应和内养护效应。在使用过程中仅需测定或推测再生粗/细骨料、再生混凝土、边界条件的基本参数，即可计算得出再生混凝土不同位置不同时间的相对湿度结果。该方法能够准确预测再生混凝土内部相对湿度分布和发展。
Description
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，特别是涉及一种再生混凝土内部相对湿度分布的预测方法。
背景技术
混凝土内部相对湿度直接影响其强度、弹性模量、收缩、徐变等力学性能发展，也是混凝土开裂的潜在原因。近年来，对天然混凝土相对湿度的研究已相对成熟，等多名学者先后提出了预测模型。综合来看，混凝土内湿度降低的原因大致归结为两类：内部的水泥颗粒水化作用耗水和外部环境干燥作用下失水。
随着可持续发展观念深入人心，再生混凝土被越来越多地应用到建筑中。再生混凝土是指将废弃混凝土经过破碎、筛分制成再生骨料回收使用，替代天然骨料拌制而成混凝土。由于再生骨料表面存在大量的残余砂浆或残余水泥浆，对混凝土的内部湿度产生了深刻影响：(1)初始含水量，不同拌制方式下再生骨料的含水量不同，对混凝土初始含水量产生影响；(2)内养护效应，再生骨料在混凝土养护过程中不断释放水分补充毛细水，减小了混凝土内部相对湿度的下降速度；(3)“孔隙联通”效应，再生骨料的高孔隙率、大孔径和多裂缝可形成快速通道，加速混凝土内部水分向干燥环境的流失。
因此，亟需建立再生混凝土内部相对湿度分布的预测模型。相比于传统的天然混凝土预测模型，该模型应考虑到再生骨料对混凝土初始水灰比(含水量)的影响、再生骨料的内养护效应和“孔隙联通”效应等。再生混凝土相对湿度分布的预测模型将为再生混凝土力学性能的准确预测提供计算基础，进一步推动再生混凝土领域的深入研究和工程应用。
发明内容
有鉴于此，为了解决上述背景技术中提到的技术问题，本发明提供了一种再生混凝土内部相对湿度分布的预测方法，基于传统的天然混凝土相对湿度预测模型，从物理本质出发考虑了再生骨料的影响。具体而言，由于再生骨料物理性能不同将对混凝土水灰比产生影响，在模型中考虑了再生骨料含量、吸水率、含水率和拌制方法对再生混凝土等效水灰比的影响；又由于再生骨料表面的残余水泥浆具有吸水和释水性能，且具有高孔隙率、大孔径和多裂缝的特点，在相对湿度预测模型中分别考虑了再生骨料的内养护效应和“孔隙联通”效应。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种再生混凝土内部相对湿度分布的预测方法，具体包括以下步骤：
(1)确定再生骨料和再生混凝土的基本性能参数：再生粗/细骨料吸水率、含水率和基体水灰比；再生混凝土的各组分密度、配合比、拌制方法、弹性模量和泊松比；边界条件及环境的温湿度；
(2)计算再生混凝土的等效水灰比：按照再生骨料的物理性能和再生混凝土拌制方式计算再生混凝土的等效水灰比；
(3)进行再生混凝土内水化反应计算：将等效水灰比带入-Najjar湿度模型进行计算；
(4)进行再生混凝土内湿度扩散计算：考虑等效水灰比和孔隙联通效应确定再生混凝土的饱和扩散系数，在不同湿度边界条件下基于-Najjar湿度模型进行计算；
(5)进行再生骨料释放水计算：采用再生骨料的等温解湿线考虑内养护效应，按照湿度增量确定再生骨料饱和度，进而计算再生骨料释水量和湿度增量；
(6)进行相对湿度修正：修正计算结果可能出现的锯齿形走势，使相对湿度不出现上升趋势，得到最终的相对湿度沿混凝土剖面深度的分布和演化结果。
更进一步地，步骤(2)中考虑再生骨料含量、吸水率、含水率和拌制方法对再生混凝土等效水灰比的影响，按照公式
式中，w/cequ是再生混凝土等效水灰比，Mw和Mc分别是配合比中水和胶凝材料质量；MCRA和MFRA分别是再生粗骨料和再生细骨料的质量；kCRA和kFRA分别是再生粗骨料和再生细骨料的吸水率修正系数，与残余水泥浆体覆盖率有关，取0.85～1.0；mCRA和mFRA分别是再生粗骨料和再生细骨料的初始含水率，按照其配置方法取值为含水率或吸水率的倍数；wCRA和wFRA分别是再生粗骨料和再生细骨料的吸水率。
更进一步地，步骤(4)中考虑再生混凝土的孔隙联通效应对混凝土内部湿度扩散的影响，具体包括以下步骤：
(1)天然混凝土的湿度扩散计算按照-Najjar非线性扩散模型计算；
式中，h是相对湿度，hs是水泥水化影响的相对湿度，t是混凝土龄期，k是解吸等温线的倒斜率，cp是水分扩散率，与饱和扩散系数c1有关，天然混凝土的c1记为按照计算；
(2)基于再生混凝土等效水灰比w/cequ和再生粗/细骨料取代率，再生混凝土饱和扩散系数按照公式
计算；
式中，和/>是再生粗骨料与同水灰比天然混凝土的饱和扩散系数，rRA1是再生粗骨料取代率和再生细骨料取代率的较大值，rRA2是再生粗骨料取代率和再生细骨料取代率的较小值。
更进一步地，步骤(5)中考虑再生混凝土的内养护效应对混凝土内部湿度的影响，具体包括以下步骤：
(1)按照再生骨料的基体水灰比确定再生骨料的等温解湿线，表达形式为
式中，S是再生骨料的饱和度；m1、m2和h*是与再生骨料基体水灰比相关的参数；
(2)量化再生骨料的内养护效应：假设再生骨料初始储水量为接近饱和含水率，释水量按照公式
计算；
式中，m1-CRA、m2-CRA和是与再生粗骨料基体水灰比相关的参数，m1-FRA、m2-FRA和是与再生细骨料基体水灰比相关的参数。
更进一步地，步骤(6)中按照公式dh≤0修正相对湿度计算结果可能出现的锯齿形走势，使相对湿度不出现上升趋势。
本发明从物理本质出发建立了再生混凝土内部相对湿度分布的预测方法，模型中考虑了再生骨料含量、吸水率、含水率和拌制方法对再生混凝土等效水灰比的影响，又同时考虑了再生骨料的“孔隙联通”效应和内养护效应。最后简化计算再生骨料吸、放水的动态平衡过程，修正了计算结果可能出现的“锯齿形”走势，使相对湿度的发展趋势更加合理。综合来看，该预测方法具有以下优势：
(1)从再生骨料对混凝土内湿度的影响机理出发建立了再生混凝土内部相对湿度分布的预测方法。再生骨料表面的残余水泥浆是其不同于天然骨料的物理本质，残余水泥浆具有较大的吸水性，在干燥状态下会吸收混凝土的水分，即对混凝土的水灰比产生影响，在混凝土内湿度降低时残余水泥浆又可释放水，具有内养护效应；这些残余水泥浆还具有高孔隙率、大孔径和多裂缝的特点，容易形成水分的快速通道，发生“孔隙联通”。
(2)充分考虑了再生骨料的物理性能和拌制方法对再生混凝土等效水灰比的影响。由于废弃混凝土来源广泛，质量差异大，生产的再生骨料也不尽相同，而气干法、部分附加水法、饱和面干法等拌制方式又对再生骨料的初始含水率产生了不同影响，本发明综合考虑再生骨料含量、吸水率、含水率和拌制方法，给出了再生混凝土等效水灰比的计算公式。
(3)考虑再生骨料的“孔隙联通”效应，建立了再生混凝土湿度传递模型。按照再生混凝土等效水灰比可计算天然混凝土的传湿系数，进一步结合再生粗/细骨料取代率，提出了再生混凝土湿度扩散系数计算方法，其中同时考虑了再生粗、细骨料取代率对湿度扩散系数的耦合影响。
(4)考虑再生骨料的内养护效应，建立了再生混凝土水分补充模型。引入再生骨料的等温解湿线用以描述相对湿度与再生骨料饱和度的关系，假设再生混凝土初始为饱和状态，基于混凝土相对湿度的增量，可实时计算再生骨料的释水量；由于再生骨料的释水可能导致相对湿度升高，再生骨料再一次吸水，为此进行了简化计算。
(5)该方法能够准确预测再生混凝土内部相对湿度分布和发展曲线。在使用过程中仅需测定或推测再生粗/细骨料、再生混凝土、边界条件的基本参数，即可计算得出再生混凝土不同位置不同时间的相对湿度结果。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在附图中：
图1为本发明所述的再生混凝土内部相对湿度分布预测方法的计算流程图；
图2为所述的再生混凝土内部相对湿度分布预测方法对再生粗骨料混凝土的相对湿度预测结果与试验实测结果对比图；
图3为所述的再生混凝土内部相对湿度分布预测方法对再生细骨料混凝土的相对湿度预测结果与试验实测结果对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参见图1-3说明本实施方式，一种再生混凝土内部相对湿度分布的预测方法，具体包括以下步骤：
(1)确定再生骨料和再生混凝土的基本性能参数：再生粗/细骨料吸水率、含水率和基体水灰比；再生混凝土的各组分密度、配合比、拌制方法、弹性模量和泊松比；边界条件及环境的温湿度；
(2)计算再生混凝土的等效水灰比：按照再生骨料的物理性能和再生混凝土拌制方式计算再生混凝土的等效水灰比；
(3)进行再生混凝土内水化反应计算：将等效水灰比带入-Najjar湿度模型进行计算；
(4)进行再生混凝土内湿度扩散计算：考虑等效水灰比和孔隙联通效应确定再生混凝土的饱和扩散系数，在不同湿度边界条件下基于-Najjar湿度模型进行计算；
(5)进行再生骨料释放水计算：采用再生骨料的等温解湿线考虑内养护效应，按照湿度增量确定再生骨料饱和度，进而计算再生骨料释水量和湿度增量；
(6)进行相对湿度修正：修正计算结果可能出现的锯齿形走势，使相对湿度不出现上升趋势，得到最终的相对湿度沿混凝土剖面深度的分布和演化结果。
步骤(2)中考虑再生骨料含量、吸水率、含水率和拌制方法对再生混凝土等效水灰比的影响，按照公式
计算；
式中，w/cequ是再生混凝土等效水灰比，Mw和Mc分别是配合比中水和胶凝材料质量；MCRA和MFRA分别是再生粗骨料和再生细骨料的质量；kCRA和kFRA分别是再生粗骨料和再生细骨料的吸水率修正系数，与残余水泥浆体覆盖率有关，取0.85～1.0；mCRA和mFRA分别是再生粗骨料和再生细骨料的初始含水率，按照其配置方法取值为含水率或吸水率的倍数；wCRA和wFRA分别是再生粗骨料和再生细骨料的吸水率。
步骤(4)中考虑再生混凝土的孔隙联通效应对混凝土内部湿度扩散的影响，具体包括以下步骤：
(1)天然混凝土的湿度扩散计算按照-Najjar非线性扩散模型计算；
式中，h是相对湿度，hs是水泥水化影响的相对湿度，t是混凝土龄期，k是解吸等温线的倒斜率，cp是水分扩散率，与饱和扩散系数c1有关，天然混凝土的c1记为按照计算；
(2)基于再生混凝土等效水灰比w/cequ和再生粗/细骨料取代率，再生混凝土饱和扩散系数按照公式
计算；
式中，和/>是再生粗骨料与同水灰比天然混凝土的饱和扩散系数，rRA1是再生粗骨料取代率和再生细骨料取代率的较大值，rRA2是再生粗骨料取代率和再生细骨料取代率的较小值。
步骤(5)中考虑再生混凝土的内养护效应对混凝土内部湿度的影响，具体包括以下步骤：
(1)按照再生骨料的基体水灰比确定再生骨料的等温解湿线，表达形式为
式中，S是再生骨料的饱和度；m1、m2和h*是与再生骨料基体水灰比相关的参数；
(2)量化再生骨料的内养护效应：假设再生骨料初始储水量为接近饱和含水率，释水量按照公式
计算；
式中，m1-CRA、m2-CRA和是与再生粗骨料基体水灰比相关的参数，m1-FRA、m2-FRA和是与再生细骨料基体水灰比相关的参数。
步骤(6)中按照公式dh≤0修正相对湿度计算结果可能出现的锯齿形走势，使相对湿度不出现上升趋势。
具体实施例1：按照表1中的再生粗骨料混凝土配合比制作了边长为250mm×250mm×250mm的再生混凝土试块，试块在拆模后五面密封，一面暴露于相对湿度为60％和温度为20摄氏度的恒温恒湿环境中，在试块内部设置不同测点用以监测相对湿度的发展。本实施例中对再生粗骨料采用饱和面干法的预处理方式，即混凝土拌制时再生粗骨料为饱和状态，含水率等于吸水率。实测再生粗骨料的吸水率为4.3％，基体水灰比为0.35。
表1实施例1中再生粗骨料混凝土的配合比(单位：kg/m3)
利用本发明中再生混凝土内部相对湿度分布预测方法，采取试验测定再生骨料和再生混凝土的基本参数进行计算，计算过程如下：
(1)确定再生骨料和再生混凝土的基本性能参数：再生粗骨料吸水率、含水率和基体水灰比分别为4.3％、4.3％和0.35；再生混凝土中水、水泥、再生粗骨料、天然细骨料的密度分别为1000kg/m3、3150kg/m3、2583kg/m3、2580kg/m3，配合比如表1所示，拌制方法为饱和面干法；边界条件为混凝土浇筑一天后单面开敞，环境的温湿度分别为20摄氏度和60％相对湿度；
(2)计算再生混凝土的等效水灰比：
(3)再生混凝土内水化反应计算，将等效水灰比带入-Najjar湿度模型进行计算；
(4)再生混凝土内湿度扩散计算，再生混凝土的饱和扩散系数：
将边界条件和饱和扩散系数带入-Najjar湿度模型进行计算；
(5)再生骨料释放水计算，再生骨料的等温解湿线参数可依据基体水灰比按照表2取值。按照湿度增量确定再生骨料释水量：
表2再生骨料的等温解湿线参数
求解-Najjar湿度模型，即可得到不同深度的相对湿度增量。
(6)相对湿度修正，按照公式dh≤0修正计算结果可能出现的“锯齿形”走势，使相对湿度不出现上升趋势，最后得到相对湿度发展曲线。
本预测方法计算得到的相对湿度与试验实测结果对比如图2所示，结果表明本发明再生混凝土内部相对湿度分布预测方法的结果比较准确。
具体实施例2：按照表3中的再生细骨料混凝土配合比制作了边长为250mm×250mm×250mm的再生混凝土试块，试块在拆模后五面密封，一面暴露于相对湿度为60％和温度为20摄氏度的恒温恒湿环境中，在试块内部设置不同测点用以监测相对湿度的发展。本实施例中对再生细骨料采用70％附加水法的拌制方式，即混凝土拌制时再生细骨料为气干状态，拌合用水中附加了部分水用于补偿再生细骨料的吸水量。实测再生细骨料的吸水率和含水率分别为8.49％和4.07％，基体水灰比为0.6。
表3实施例2中再生细骨料混凝土的配合比(单位：kg/m3)
利用本发明中再生混凝土内部相对湿度分布预测方法，采取试验测定再生骨料和再生混凝土的基本参数进行计算，计算过程如下：
(1)确定再生骨料和再生混凝土的基本性能参数：再生细骨料吸水率、含水率和基体水灰比分别为8.49％、4.07％和0.6；再生混凝土中水、水泥、天然粗骨料、再生细骨料的密度分别为1000kg/m3、3150kg/m3、2732kg/m3、2359kg/m3，配合比如表3所示，拌制方法为70％附加水法；边界条件为混凝土浇筑一天后单面开敞，环境的温湿度分别为20摄氏度和60％相对湿度；
(2)计算再生混凝土的等效水灰比：
(3)再生混凝土内水化反应计算，将等效水灰比带入-Najjar湿度模型进行计算；
(4)再生混凝土内湿度扩散计算，再生混凝土的饱和扩散系数：
将边界条件和饱和扩散系数带入-Najjar湿度模型进行计算；
(5)再生骨料释放水计算，再生骨料的等温解湿线参数可依据基体水灰比按照表2取值，按照湿度增量确定再生骨料释水量：
求解-Najjar湿度模型，即可得到不同深度的相对湿度增量；
(6)相对湿度修正，按照公式dh≤0修正计算结果可能出现的“锯齿形”走势，使相对湿度不出现上升趋势，最后得到相对湿度发展曲线。
本预测方法计算得到的相对湿度与试验实测结果对比如图3所示，结果表明本发明再生混凝土内部相对湿度分布预测方法的结果比较准确。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (5)
1.一种再生混凝土内部相对湿度分布的预测方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)确定再生骨料和再生混凝土的基本性能参数：再生粗/细骨料吸水率、含水率和基体水灰比；再生混凝土的各组分密度、配合比、拌制方法、弹性模量和泊松比；边界条件及环境的温湿度；
(2)计算再生混凝土的等效水灰比：按照再生骨料的物理性能和再生混凝土拌制方式计算再生混凝土的等效水灰比；
(3)进行再生混凝土内水化反应计算：将等效水灰比带入-Najjar湿度模型进行计算；
(4)进行再生混凝土内湿度扩散计算：考虑等效水灰比和孔隙联通效应确定再生混凝土的饱和扩散系数，在不同湿度边界条件下基于-Najjar湿度模型进行计算；
(5)进行再生骨料释放水计算：采用再生骨料的等温解湿线考虑内养护效应，按照湿度增量确定再生骨料饱和度，进而计算再生骨料释水量和湿度增量；
(6)进行相对湿度修正：修正计算结果可能出现的锯齿形走势，使相对湿度不出现上升趋势，得到最终的相对湿度沿混凝土剖面深度的分布和演化结果。
2.根据权利要求1所述的再生混凝土内部相对湿度分布的预测方法，其特征在于：步骤(2)中考虑再生骨料含量、吸水率、含水率和拌制方法对再生混凝土等效水灰比的影响，按照公式
计算；
式中，w/cequ是再生混凝土等效水灰比，Mw和Mc分别是配合比中水和胶凝材料质量；MCRA和MFRA分别是再生粗骨料和再生细骨料的质量；kCRA和kFRA分别是再生粗骨料和再生细骨料的吸水率修正系数，与残余水泥浆体覆盖率有关，取0.85～1.0；mCRA和mFRA分别是再生粗骨料和再生细骨料的初始含水率，按照其配置方法取值为含水率或吸水率的倍数；wCRA和wFRA分别是再生粗骨料和再生细骨料的吸水率。
3.根据权利要求1所述的再生混凝土内部相对湿度分布的预测方法，其特征在于：步骤(4)中考虑再生混凝土的孔隙联通效应对混凝土内部湿度扩散的影响，具体包括以下步骤：
(1)天然混凝土的湿度扩散计算按照非线性扩散模型计算；
式中，h是相对湿度，hs是水泥水化影响的相对湿度，t是混凝土龄期，k是解吸等温线的倒斜率，cp是水分扩散率，与饱和扩散系数c1有关，天然混凝土的c1记为按照计算；
(2)基于再生混凝土等效水灰比w/cequ和再生粗/细骨料取代率，再生混凝土饱和扩散系数按照公式
计算；
式中，和/>是再生粗骨料与同水灰比天然混凝土的饱和扩散系数，rRA1是再生粗骨料取代率和再生细骨料取代率的较大值，rRA2是再生粗骨料取代率和再生细骨料取代率的较小值。
4.根据权利要求3所述的再生混凝土内部相对湿度分布的预测方法，其特征在于：步骤(5)中考虑再生混凝土的内养护效应对混凝土内部湿度的影响，具体包括以下步骤：
(1)按照再生骨料的基体水灰比确定再生骨料的等温解湿线，表达形式为
式中，S是再生骨料的饱和度；m1、m2和h*是与再生骨料基体水灰比相关的参数；
(2)量化再生骨料的内养护效应：假设再生骨料初始储水量为接近饱和含水率，释水量按照公式
计算；
式中，m1-CRA、m2-CRA和是与再生粗骨料基体水灰比相关的参数，m1-FRA、m2-FRA和/>是与再生细骨料基体水灰比相关的参数。
5.根据权利要求4所述的再生混凝土内部相对湿度分布的预测方法，其特征在于：步骤(6)中按照公式dh≤0修正相对湿度计算结果可能出现的锯齿形走势，使相对湿度不出现上升趋势。
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